制造高纯度的方法

申请号 CN201680021325.5 申请日 2016-02-12 公开(公告)号 CN107406270A 公开(公告)日 2017-11-28
申请人 波拉尔蓝宝石有限公司; 发明人 S·尼科尔; D·史密斯;
摘要 一种方法包含(a)使 铝 金属与酸在 水 存在下反应,得到水中包含铝盐的第一铝盐溶液,其中铝盐包含酸与铝金属的反应产物,(b)加热第一铝盐溶液,得到母液和固体铝盐,(c)任选地,分离固体铝盐与母液,(d)任选地,用水溶解至少一部分所分离的固体铝盐,得到第二铝盐溶液,(e)喷雾 焙烧 第一或第二(如果产生)铝盐溶液,得到 氧 化铝粉末,以及(f)洗涤氧化铝粉末,其中经洗涤的氧化铝粉末包含小于约30ppmw总金属和烷基杂质。
权利要求

1.一种方法,包含:
(a)使金属与酸在存在下反应,得到水中包含铝盐的第一铝盐溶液,其中所述铝盐包含所述酸与所述铝金属的反应产物;
(b)加热所述第一铝盐溶液,得到母液和固体铝盐;
(c)分离所述固体铝盐与所述母液;
(d)用水溶解至少一部分所分离的固体铝盐,得到第二铝盐溶液;
(e)喷雾焙烧所述第二铝盐溶液,得到化铝粉末;以及
(f)洗涤所述氧化铝粉末;
其中经洗涤的氧化铝粉末包含小于约30ppmw总金属和烷基杂质。
2.根据权利要求1所述的方法,另外包含(g)烧结经洗涤的氧化铝粉末。
3.根据权利要求2所述的方法,其中步骤(g)的烧结包含将经洗涤的氧化铝粉末压缩成压坯并烧结所述氧化铝粉末的压坯。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法,其中喷雾焙烧所述第二铝盐溶液包含将所述第二铝盐溶液喷雾到经加热的炉中,以便从所述第二铝盐溶液驱除液体并将所溶解的铝盐转化成所述氧化铝粉末。
5.根据权利要求4所述的方法,其中所述炉被加热到煅烧所述铝盐以将所述铝盐转化成氧化铝的温度
6.根据权利要求4或5中任一项所述的方法,其中所述炉被加热到至少约450℃的温度。
7.根据权利要求4或5中任一项所述的方法,其中所述炉被加热到约450℃至约1300℃的温度。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的方法,其中喷雾焙烧所述第二铝盐溶液包含将所述第二铝盐溶液喷雾到所述炉的火焰中。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法,其中所述喷雾焙烧是在内衬有包含高纯度氧化铝的耐火材料的炉中进行。
10.根据权利要求9所述的方法,其中所述高纯度氧化铝是至少约99.2%纯度氧化铝、或至少约99.6%纯度氧化铝、或至少约99.8%纯度氧化铝。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法,其中使所述铝金属与所述酸反应包含:
使所述铝金属与所述水在反应容器中接触;以及
将所述酸计量加入到所述反应容器中,以便在所述铝金属与所述酸之间反应形成所述铝盐。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法,其中所述酸包含HCl、H2SO4、HNO3、HF和H2PO4中的至少一个。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法,另外包含在步骤(c)之后,洗涤所述固体铝盐晶体以去除表面杂质并在步骤(d)中将经洗涤的铝盐晶体溶解于水中,得到所述第二铝盐溶液。
14.根据权利要求13所述的方法,其中所述洗涤包含使所述固体铝盐晶体与酸、溶剂接触。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法,其中所述铝金属是以相对于所述酸的至少一摩尔当量使用。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法,其中所述铝金属是至少约99.98%纯的铝。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法,其中所述铝金属包含小于约30ppmw总杂质。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法,其中所述酸包含小于约0.2ppmw金属杂质。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法,其中所述水是至少约99.999重量%纯的水。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的方法,其中所述氧化铝包含小于约5ppmw的Na、Si、Fe中的每一个和小于约1ppmw Ti、Mg、Ca、K、Cu和Cr。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的方法,其中步骤(f)的洗涤包含用水和洗涤酸中的至少一个洗涤所述氧化铝粉末。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的方法,另外包含在步骤(f)之后,干燥所述氧化铝粉末。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的方法,另外包含在步骤(f)之后,将所述氧化铝粉末碾磨到规定粒度。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的方法,另外包含在(f)之后,将所述氧化铝粉末加热到煅烧温度以便将γ氧化铝转化成α氧化铝。
25.根据权利要求24所述的方法,其中所述煅烧温度是约1000℃至约1250℃。
26.一种方法,包含:
(a)使铝金属与酸在水存在下反应,得到水中包含铝盐的铝盐溶液,其中所述铝盐包含所述酸与所述铝金属的反应产物;以及
(b)喷雾焙烧所述铝盐溶液,得到氧化铝粉末;以及
(c)洗涤所述氧化铝粉末;
其中经洗涤的氧化铝粉末包含小于约30ppmw总金属和烷基杂质。
27.根据权利要求26所述的方法,另外包含(d)烧结经洗涤的氧化铝粉末。
28.根据权利要求27所述的方法,其中步骤(d)的烧结包含将经洗涤的氧化铝粉末压缩成压坯并烧结所述氧化铝粉末的压坯。
29.根据权利要求26至28中任一项所述的方法,其中喷雾焙烧所述铝盐溶液包含将所述铝盐溶液喷雾到经加热的炉中,以便从所述铝盐溶液驱除液体并将所溶解的铝盐转化成所述氧化铝粉末。
30.根据权利要求29所述的方法,其中所述炉被加热到煅烧所述铝盐以将所述铝盐转化成氧化铝的温度。
31.根据权利要求29或30中任一项所述的方法,其中所述炉被加热到至少约450℃的温度。
32.根据权利要求29或30中任一项所述的方法,其中所述炉被加热到约450℃至约1300℃的温度。
33.根据权利要求29至32中任一项所述的方法,其中喷雾焙烧所述铝盐溶液包含将所述铝盐溶液喷雾到所述炉的火焰中。
34.根据权利要求26至33中任一项所述的方法,其中所述喷雾焙烧是在内衬有包含高纯度氧化铝的耐火材料的炉中进行。
35.根据权利要求34所述的方法,其中所述高纯度氧化铝是至少约99.2%纯度氧化铝、或至少约99.6%纯度氧化铝、或至少约99.8%纯度氧化铝。
36.根据权利要求26至35中任一项所述的方法,其中使所述铝金属与所述酸反应包含:
使所述铝金属与所述水在反应容器中接触;以及
将所述酸计量加入到所述反应容器中,以便在所述铝金属与所述酸之间反应形成所述铝盐。
37.根据权利要求26至36中任一项所述的方法,其中所述酸包含HCl、H2SO4、HNO3、HF和H2PO4中的至少一个。
38.根据权利要求26至37中任一项所述的方法,其中所述铝金属是以相对于所述酸的至少一摩尔当量使用。
39.根据权利要求26至38中任一项所述的方法,其中所述铝金属是至少约99.98%纯的铝。
40.根据权利要求26至39中任一项所述的方法,其中所述铝金属包含小于约30ppmw总杂质。
41.根据权利要求26至40中任一项所述的方法,其中所述酸包含小于约0.2ppmw金属杂质。
42.根据权利要求26至41中任一项所述的方法,其中所述水是至少约99.999重量%纯的水。
43.根据权利要求26至42中任一项所述的方法,其中所述氧化铝包含小于约5ppmw的Na、Si、Fe中的每一个和小于约1ppmw Ti、Mg、Ca、K、Cu和Cr。
44.根据权利要求26至43中任一项所述的方法,另外包含在步骤(b)之后,用水和洗涤酸中的至少一个洗涤所述氧化铝粉末。
45.根据权利要求26至44中任一项所述的方法,另外包含在步骤(c)之后,干燥所述氧化铝粉末。
46.根据权利要求26至45中任一项所述的方法,另外包含在步骤(c)之后,将所述氧化铝粉末碾磨到规定粒度。
47.根据权利要求26至46中任一项所述的方法,另外包含在(c)之后,将所述氧化铝粉末加热到煅烧温度以便将γ氧化铝转化成α氧化铝。
48.根据权利要求47所述的方法,其中所述煅烧温度是约1000℃至约1250℃。
49.根据权利要求26至48中任一项所述的方法,另外包含在步骤(b)之前,加热由步骤(a)产生的铝盐溶液以产生铝盐晶体,并随后将所述铝盐晶体溶解于水中以产生第二铝盐溶液用于步骤(b)的喷雾焙烧。
50.氧化铝,由根据权利要求1至49中任一项所述的方法获得。

说明书全文

制造高纯度的方法

[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2015年2月23日提交的美国临时专利申请第62/119,402号的优先权和权益,所述临时专利申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

背景技术

[0003] 高纯度氧化铝粉末可用于制造高压钠灯的半透明管、表盖的蓝宝石、高强度陶瓷工具、磁带磨料、作为GaN衬底的发光二极管、光电子器件的微芯片晶片、飞行器窗户和机罩、汽车前灯、手机和其它电子装置的保护窗、停止信号、手术刀、医学光纤探针的微光学元件、条形码的光学扫描仪、紫外CD和DVD光学系统、棱镜、镜片、光学板、可见和IR范围的光学系统、手机、移动设备和光纤系统显示窗、侵蚀性和高温环境中的化学制造设备:试管、坩埚、漏斗、化学玻璃器皿、磨料、电池组件、轴承和宝石。
[0004] 目前,最常用的制造用于制造LED衬底的蓝宝石的高纯度氧化铝的方法是硫酸铝铵热分解酸铝铵热分解和异丙醇铝解。高纯度氧化铝随后用于维尔纳法(Verneuil process)中以制造瑕坯或压缩成致密圆片、颗粒或珠粒用于在蓝宝石锭炉中熔融。
[0005] 氧化铝纯化领域中的先前研究使用三水合铝、铝矾土、三水铝石、铝氧化物或含有氧化铝的矿石作为所述方法的起始原料。发明内容
[0006] 本公开描述一种制造高纯度氧化铝(aluminum oxide/alumina)的方法,其与常规方法相比可能需要较少能量。本文所述的方法使用铝金属和酸,如盐酸(HCl)作为原料得到铝盐溶液,喷雾焙烧铝盐溶液得到高纯度氧化铝粉末。
[0007] 在一个实例中,本公开描述一种方法,包含使铝金属与酸在水存在下反应,得到水中包含铝盐的第一铝盐溶液,其中所述铝盐包含所述酸与所述铝金属的反应产物,加热所述第一铝盐溶液,得到母液和固体铝盐,分离所述固体铝盐与所述母液,用水溶解至少一部分所分离的固体铝盐,得到第二铝盐溶液,喷雾焙烧所述第二铝盐溶液,得到氧化铝粉末,以及洗涤所述氧化铝粉末,其中经洗涤的氧化铝粉末包含小于约30ppmw总金属和烷基杂质。
[0008] 本公开还描述一种方法,包含使铝金属与酸在水存在下反应,得到水中包含铝盐的铝盐溶液,其中所述铝盐包含所述酸与所述铝金属的反应产物,喷雾焙烧所述铝盐溶液,得到氧化铝粉末,以及洗涤所述氧化铝粉末,其中经洗涤的氧化铝粉末包含小于约30ppmw总金属和烷基杂质。
[0009] 根据本发明的一个方面,提供一种方法,包含:
[0010] (a)使铝金属与酸在水存在下反应,得到水中包含铝盐的铝盐溶液,其中所述铝盐包含所述酸与所述铝金属的反应产物;以及
[0011] (b)喷雾焙烧所述铝盐溶液,得到氧化铝粉末;以及
[0012] (c)洗涤所述氧化铝粉末;
[0013] 其中经洗涤的氧化铝粉末包含小于约30ppmw总金属和烷基杂质。
[0014] 根据此方法的一个实施例,在步骤(b)之前,加热由步骤(a)产生的铝盐溶液以产生铝盐晶体,随后将铝盐晶体溶解于水中,产生用于在步骤(b)中喷雾焙烧的第二铝盐溶液。
[0015] 根据本发明的另一个方面,提供一种方法,包含:
[0016] (a)使铝金属与酸在水存在下反应,得到水中包含铝盐的第一铝盐溶液,其中所述铝盐包含所述酸与所述铝金属的反应产物;
[0017] (b)加热所述第一铝盐溶液,得到母液和固体铝盐;
[0018] (c)分离所述固体铝盐与所述母液;
[0019] (d)用水溶解至少一部分所分离的固体铝盐,得到第二铝盐溶液;
[0020] (e)喷雾焙烧所述第二铝盐溶液,得到氧化铝粉末;以及
[0021] (f)洗涤所述氧化铝粉末;
[0022] 其中经洗涤的氧化铝粉末包含小于约30ppmw总金属和烷基杂质。
[0023] 根据本发明的另一个方面,提供通过本文所述的方法产生的高纯度氧化铝。高纯度氧化铝可具有4N或更大的纯度,例如其可具有约4N至约6N的纯度。附图说明
[0024] 在图式中,相同的编号可用于描述数个视图中的类似元件。具有不同字母后缀的相同编号可用于表示类似元件的不同视图。图式借助于实例而非限制性地总体上说明本文件中所论述的各种实例。
[0025] 图1是一种生产高纯度氧化铝的实例方法的流程图
[0026] 图2是另一种生产高纯度氧化铝的实例方法的流程图。

具体实施方式

[0027] 在以下详细描述中,对附图进行参考,这些附图形成本文的一部分。图式借助于说明示出了可实践产生高纯度氧化铝的方法的特定实例。实例被充分详细地描述以使得所属领域的技术人员能够实践,并且应理解,可采用其它实施例并且可在不脱离本公开的范围的情况下进行变化。因此,以下详细描述不应视为具有限制意义,并且本公开的范围由所附权利要求书及其等效物界定。
[0028] 图1示出了用于生产例如欲用于生产合成蓝宝石的高纯度氧化铝的实例方法10的流程图。如本文所用,术语“高纯度氧化铝”是指具有约4N(99.99%纯,杂质含量仅为0.01%或100ppm)或更大的纯度的氧化铝。在一些实例中,术语“高纯度氧化铝”是指纯度在约4N至约6N(99.9999%纯,杂质含量仅我0.0001%或1ppm)范围内的氧化铝。
[0029] 在方法10中,可提供铝金属原料12。在一个实例中,铝原料12可包含来自三层电解方法(也称为霍伯法(Hoope process))的高纯度铝。铝原料的纯度可为至少99.9原子%铝(例如3N铝)或更大,如99.98原子%铝或更大,例如99.99原子%铝(例如4N铝)或更大,如99.995原子%铝或更大,例如99.998原子%(例如4.8N铝),如99.999原子%(例如5N铝)或更大。在一个实例中,小于0.02重量%的总杂质是金属杂质。在一个实例中,各金属元素杂质小于0.01重量%。高纯度废铝也可用作铝原料12,如电导线、平版印刷箔或电解电容器铝箔。在一个实例中,铝原料12可具有小于20ppmw金属和金属杂质。在一个实例中,铝原料
12可具有小于约30ppmw总杂质。铝原料12的形式包括(但不限于)铸锭、锭、碎块、箔、线、锥、粉末或其它可商购形式的铝金属或含铝矿石。
[0030] 洗涤(14)
[0031] 可任选地洗涤14铝原料12的表面,得到经洗涤的铝16。铝原料12的表面可通过用酸、碱、皂、溶剂或醇中的一个或多个处理表面而洗涤14。在一个实例中,铝原料12是通过使铝原料12与盐酸(HCl)接触足以清洁铝原料12的表面以去除规定部分的表面杂质的时间而用HCl洗涤14。在一个实例中,铝原料12与5-20重量%HCl溶液接触约4小时至约24小时,如通过将铝原料12放置在具有HCl溶液的洗涤容器中持续规定的时间段。
[0032] 铝原料12的经处理表面可随后用水冲洗,得到经洗涤的铝16。在一个实例中,在洗涤14后用于冲洗铝原料12的水是高纯度水。
[0033] 与酸反应(18)
[0034] 铝原料12或经洗涤的铝16可与一种或多种酸20反应18。使用铝作为起始原料用于制造氧化铝可由于难以控制酸与铝的反应速率而为困难的。高纯度铝与酸反应极慢,但是反应可非常迅速地加速到快速的放热反应。此外,在所述方法的每个步骤,原料可被反应容器、炉或盛放容器污染。为了在低成本下达到高纯度,在所述方法中的每个步骤控制反应和温度以防止污染可为重要的。在过去,由于随着铝纯度增加,铝与酸的反应往往会减缓的事实,已难以使高纯度铝在酸中经济地反应。使用具有极大表面积的铝也可增加成本并且可能由于放热反应而导致失控反应。
[0035] 先前对于使用酸将高铝含量矿石处理成氧化铝的研究主要针对用于制造原铝的氧化铝的生产。这些方法涉及达到霍尔-埃鲁法(Hall-Heroult process)的纯度极限,并且不打算提供用于生产足以用于LED衬底或其它高纯度氧化铝应用的蓝宝石等级的典型4-6N纯度要求。常规生产的用于蓝宝石原料应用的氧化铝粉末通常具有至少以下杂质含量:Na<10ppmw;Fe<5ppmw;Si<10ppmw;Ti<3ppmw;Mg<2ppm2;Ca<2ppmw,并且氧化铝纯度仅为约
99.99%(或4N)纯度。作为蓝宝石锭原料的氧化铝纯度较高(如5N或更大)可提高蓝宝石生产工艺的产率和生产量。
[0036] 一种或多种酸20可包括(但不限于)硫酸(H2SO4)、硝酸(HNO3)、磷酸(H3PO4)、盐酸(HCl)和氢氟酸(HF)中的一种或任何组合。酸可具有高纯度,如所有元素的杂质小于1ppmw的酸。在一个实例中,酸可包含小于约1ppmw Na、Ca、Li、Fe、Zn、Cu、Ti、Cr、K和Mg。在一个实例中,酸可包含小于约0.2ppmw金属杂质。一种或多种酸20还可为工业级酸,如工业级HCl,其已经由过滤、离子交换方法、蒸馏和扩散渗析方法中的一个或多个而纯化。
[0037] 在反应18之前或期间,可使用水22将酸稀释到所需浓度。可将一种或多种酸20和水22添加到反应18中,直到铝16被浸出。水可具有高纯度,这种水已通过去离子、过滤、逆渗透或蒸馏中的一种或任何组合而纯化。如本文所用,术语“高纯度水”可指代已通过去离子、过滤、逆渗透和蒸馏中的一种或任何组合而纯化的水。在一个实例中,“高纯度水”可为至少约99.999重量%纯的水。在一些实例中,“高纯度水”可具有小于约0.5ppmw总杂质,如小于约0.2ppmw总杂质。在一个实例中,“高纯度水”可指代在25℃下的电阻率为18兆欧×厘米(MΩ·cm,在25℃下)或更大的水。
[0038] 一种或多种酸20与铝16在水22中反应18使得水中包含水合铝盐的第一水合铝盐溶液24形成。一种或多种酸20与铝16的反应18可称为浸提铝16。可将铝16溶解于酸20中以形成水合铝盐溶液24。可添加足量的一种或多种酸20和水22,以使得基本上所有水合铝盐24可溶解于液体中。可以经过稀释的高纯度酸或直接高纯度水形式添加额外具有高纯度的水。在酸20包含HCl的实例中,第一水合铝盐溶液24的水合铝盐包含水合氯化铝,也称为聚氯化铝(PAC),它是一组具有通式AlnCl(3n-m)(OH)m的铝盐。
[0039] 可进行反应,直到可从酸20获得的所有或基本上所有氢以氢气(H2)形式释放。在所有酸20已反应后,由反应18形成的水合铝盐溶液24(如聚氯化铝)的密度可为约1.25克/立方厘米(“g/cc”)至约1.37g/cc。反应18可耗时约6小时至约72小时,使得所有酸20反应形成水合铝盐溶液24。
[0040] 反应18可在高温稳定并耐酸的反应容器(如槽)中对在反应期间形成的H2气体通(未示出)的情况下进行。在一个实例中,反应容器可包含将在至少25℃至约120℃的温度下热稳定的耐高温塑料。反应容器的内部可包含非污染性材料,其可耐受反应18的化学条件而不以额外杂质污染所述方法,在本文中也称为“非污染性材料”、“非污染性槽”或“非污染性容器”。在一个实例中,反应容器可容纳约400L至约4000L。可能的反应容器材料的实例包括(但不限于)聚偏二氟乙烯(PVDF),如以商标名KYNAR销售的PVDF;聚四氟乙烯(PTFE),如以商标名TEFLON销售的PTFE;氟化乙烯丙烯(FEP),如以商标名TEFLON FEP销售的FEP;全氟烷氧基(PFA),如以商标名TEFLONPFA销售的PFA;聚丙烯(PP);或可耐受温度和化学侵蚀的其它高温塑料。反应容器也可包含具有氟化涂层的非耐化学性基础材料,所述涂层如PTFE涂层或PFA涂层或这两种兼具、耐酸环氧树脂涂层或高温塑料涂层,如上文所述材料中的一种。
[0041] 反应容器可在包括顶部和底部的一些或所有侧面上隔热。反应容器可包括排放到洗涤器或排气装置的封盖。来自反应18的排烟可去往洗涤器、冷凝器或其它用于水和酸再循环的装置中的一种或任何组合。排烟可回流并且冷凝酸可流回到反应容器中。反应容器可用空气通风以将氢气含量稀释到低于爆炸下限。可过滤排放的空气以去除粉尘。
[0042] 反应18可受添加到反应容器中的一种或多种酸20的量限制。一种或多种酸20可一次全部添加、随时间推移计量加入反应容器中、或在反应18开始时添加并且接着随时间推移进一步计量。在一个实例中,铝原料12或经洗涤的铝16和水22可添加到反应容器中,并且一种或多种酸20随时间推移以受控速率计量加入反应容器中。随着一种或多种酸20计量加入反应容器中,额外水22也可计量加入反应容器中。
[0043] 至少一个化学计算量的铝12、16可添加到反应容器中用于反应18,但是过量铝12、16也可添加到反应容器中。未反应的过量铝12、16可保留在反应容器中用于后续下一批次,或未反应的过量铝12、16可与水合铝盐溶液24分离。在一个实例中,恒定或基本上恒定表面积的铝12、16可逐批用于反应容器中,以便可在每一批次后添加铝置换在前一批次中反应过的铝。水22和铝12、16可首先添加到反应容器中,随后将一种或多种酸20计量加入反应容器中。
[0044] 反应容器中的液体可加热到约25℃至约130℃、如约65℃至约110℃的温度。容器可使用外部热量和/或来自容器中的放热反应的热量加热。依据一种或多种酸20的组成(例如反应物溶液中酸的浓度,其可由一种或多种酸20添加到反应容器的速率决定)、反应容器中水22的量以及铝12或16的表面积而定,铝12或16与酸20之间反应的放热性质可提供反应18所必需的一些或全部热量。在一些实例中,可使用额外热源。容器可使用槽中的热交换器、经涂布的加热元件或送经过耐反应18进行的温度和反应容器中存在的化学物质的盘管或热交换器的热流体加热。
[0045] 反应容器中的液体可在反应18期间例如通过旋转搅拌反应容器的内含物、泵送液体围绕反应容器或另一方法混合。
[0046] 当一些等级的铝发生反应18时,包括水合铝盐溶液24的液体中可发现小粒子。这些小粒子可通常是尚未溶解于酸混合物中的杂质。举例来说,如果铝原料12中存在杂质并使用HCl作为酸20,那么在反应液体中可形成小的黑色粒子。铝原料12的纯度越低,反应容器中将越可能发现这些小粒子。一些粒子将随时间推移而溶解,从而降低水合铝盐溶液24的纯度并因此降低氧化铝的最终纯度。因此,可任选地过滤水合铝盐溶液24以便从液体去除杂质粒子,形成经过滤的水合铝盐溶液。过滤可与反应18一起进行或在反应18下游进行。在一个实例中,液体可在进行反应18时连续过滤以去除杂质粒子。在一个实例中,可使用磁分离、耐酸滤膜、离子交换树脂、一种或多种离心机、一种或多种过滤袋、一种或多种滤筒和沉降中的至少一个实现第一水合铝盐溶液24的过滤。替代过滤或除过滤以外,杂质粒子可用可溶解粒子、但不可混溶于水中的一种或多种溶剂去除,以使得具有经溶解杂质的溶剂可易于从基于水的反应液体去除。在原料铝12、16具有足够高纯度的实例中,不出现这些小粒子并且因此,在一些实例中,过滤不是必需的。
[0047] 在一些实例中,铝原料12可具有足够高的纯度,以使得过滤水合铝盐溶液24或去除杂质粒子不是获得可接受的氧化铝的最终纯度所必需的。
[0048] 加热(28)
[0049] 反应18中所形成的第一水合铝盐溶液24可从溶液24沉淀,得到固体水合铝盐晶体和母液的混合物26。在一个实例中,沉淀固体水合铝盐晶体可通过加热28溶液24以蒸发水和其它液体而实现。通过从第一水合铝盐溶液24去除水、气体和其它液体,溶液24中水合铝盐的浓度可增加并且可最终变得饱和,以使得固体水合铝盐晶体从溶液24沉淀出。在一个实例中,第一水合铝盐溶液24可在约100℃至约140℃的温度下加热。一些酸20可能在加热28期间需要较高温度以从溶液24蒸发足量的水。在一个实例中,第一水合铝盐溶液24可加热约8小时至约72小时。可加热第一水合铝盐溶液24直到约70%至约99.9%的液体已蒸发,如当约0%至约20%的液体残余时。或者,可蒸发大部分液体并随后可将小百分比的水(如高纯度水)加回到盐中以产生一些母液。如果去除剩余铝,那么铝盐溶液24可在铝12、16与一种或多种酸20反应的相同容器中加热28,或加热28可在另一容器中进行。
[0050] 在一个实例中,加热28沉淀出铝盐晶体到铝盐晶体和母液的混合物26中可在包含将不会增加方法污染的材料的加热容器(也称为非污染性加热容器或非污染性材料)中进行。在一个实例中,加热容器可包含高温塑料,如PTFE、FEP、PFA、PVDF、氧化铝;或可经受加热步骤28的温度和加热容器中所存在的盐、液体和蒸汽的化学侵蚀的其它高温塑料或陶瓷中的至少一个。加热容器也可由另一材料制成,所述材料用PTFE、FEP、PFA、PVDF、氧化铝或可经受加热容器的温度和化学物质的另一高温塑料或陶瓷涂布。
[0051] 在加热容器中加热溶液24的方法的实例可包括(但不限于)以下各项中的至少一种:在炉中加热、用热交换器盘管加热、用浸没式加热器加热、用热油加热器加热、用蒸汽加热、在溶液24中用PTFE或石墨热交换器加热、通过用锅炉注入高纯度蒸汽加热或用外部热量加热。
[0052] 容器可具有过滤器空气入口和酸蒸汽的排放口。加热容器可包含斜度以使得铝盐晶体和母液混合物26可易于从加热容器移出。由加热28产生的蒸发蒸汽30可冷凝32并再循环以回收水和酸。鼓风机可用于迫使空气穿过反应容器并用于抽出水,并且酸蒸汽30可在热交换器中冷凝32以提供冷凝液体34。任何未冷凝的蒸汽可由洗涤器处理,中和并随后排放到大气中。可例如通过将冷凝液体34再循环回到铝12、16与酸20之间的反应18而在所述方法中再循环并再使用冷凝液体34。冷凝液体34可在再循环之前纯化。在一个实例中,冷凝液体34可用于制造较低质量氧化铝。
[0053] 在一个实例中,加热28提供铝盐晶体和母液混合物26可在容器中例如使加热容器内的压小于大气压力而在真空下进行。向加热容器施加真空可增加蒸汽和酸蒸汽30从容器去除的速率,继而可增加铝盐晶体沉淀到铝盐晶体和母液混合物26的混合物中的速率和程度。已发现向加热容器施加真空加速蒸发速率并降低所需反应温度。
[0054] 在一个实例中,真空可利用能够向容器施加真空压力的鼓风机而提供。在一个实例中,额定至少约5英寸水柱(约0.012巴)的鼓风机可用于提供真空压力。在一个实例中,容器内的真空压力(例如低于大气压力的压力)可为至少0.005巴真空、如至少约0.01巴真空、例如至少约0.015巴真空、如至少约0.02巴真空、至少约0.03巴真空、至少约0.04巴真空、至少约0.05巴真空、至少约0.1巴真空、至少约0.15巴真空、至少约0.2巴真空或至少约0.25巴真空。
[0055] 替代或结合加热28,HCl气体、高纯度HCl酸溶液或另一酸溶液(如H2SO4)可注射到第一水合铝盐溶液24中以降低第一水合铝盐溶液24中水合铝盐的溶解度,从而致使盐沉淀。在一个实例中,可将具有高纯度的38%HCl溶液添加到第一水合铝盐溶液24中以沉淀出铝盐晶体,得到固体水合铝盐晶体和母液混合物26。
[0056] 分离(36)
[0057] 可分离36水合铝盐晶体和母液混合物26,得到经分离的母液38和水合铝盐晶体40。分离36方法可包括(但不限于)沉降、过滤或离心水合铝盐晶体和母液混合物26。分离36可在一个或多个非污染性分离容器中进行,所述非污染性分离容器可包含上文关于反应容器和加热容器所述的非污染性材料中的一种。分离36可在室温下或在至多所述方法的蒸发温度的任何温度下进行。在分离36之前,可使水合铝盐晶体和母液混合物26冷却到室温。水合铝盐晶体和母液混合物26也可在分离36之前缓慢冷却到室温。在一个实例中,母液38可通过从容器排出母液38而分离36,这是通过打开过滤,如具有塑料过滤布或穿孔塑料引流管的阀,并通过重力引流从容器去除母液38而实现。
[0058] 在一个实例中,分离容器可包含在容器中(如在容器的底部和侧面)包含耐酸过滤器(如过滤布、塑料过滤器、过滤袋或多个洞)的容器(如高温耐酸塑料容器),其可允许母液38从容器排出并远离水合铝盐晶体40。或者,母液38和水合铝盐晶体40可使用离心、压滤机、真空辅助引流或其它机械分离方法分离。经分离的母液38可用于制造较低纯度氧化铝,如所属领域中已知。
[0059] 经分离的水合铝盐晶体40可任选地用洗涤液体洗涤。在一个实例中,洗涤液体可包含高纯度酸(如HCl)、高纯度丙或另一溶剂、水合铝盐的高纯度溶液(例如,如果晶体40是聚氯化铝晶体,那么聚氯化铝溶液可用作洗涤液体)和高纯度水中的至少一个。在一个实例中,酸洗涤液体(例如高纯度HCl)是在足够高的浓度下使用,以使得相当大部分的水合铝盐晶体40不会溶解回到溶液中。水合铝盐晶体40的洗涤也可足够快,以使得相当大部分的水合铝盐晶体40不会溶解。洗涤液体可经纯化并再用于所述方法中。可任选地碾磨、研磨或滚揉水合铝盐晶体40,以使得晶体36可具有较小尺寸以稍后用于所述方法中。
[0060] 溶解(42)
[0061] 经分离的水合铝盐晶体40用高纯度水44溶解42,以形成第二水合铝盐溶液46。如果所用酸20是HCl以使得第一水合铝盐溶液24包含PAC溶液,那么第二水合铝盐溶液46也将包含溶解于水中的PAC。在一个实例中,溶解42经分离的水合铝盐晶体40可包括加热水44以增加水合铝盐晶体40的溶解速率。
[0062] 在溶解42水合铝盐晶体40以形成第二水合铝盐溶液46之后,溶液46中的水合铝盐可经由煅烧化成氧化铝。如图1中所示,在一个实例中,第二水合铝盐溶液46是通过在喷雾焙烧煅烧炉48中喷雾焙烧水合铝盐溶液46而煅烧,以将溶液46中的水合铝盐转化成氧化铝粉末50。在一个实例中,第二水合铝盐溶液46是以雾化的细薄雾52形式喷雾(在图1中概念性示出)。薄雾52可在煅烧炉48的顶部喷雾。在一些实例中,第二水合铝盐溶液46基本上连续喷雾到煅烧炉48中。在一个实例中,第二水合铝盐溶液46直接喷雾到煅烧炉48的火焰中。第二水合铝盐溶液46可经由喷雾嘴54(如氧化铝雾化喷雾嘴)喷雾。第二水合铝盐溶液46可使用加压空气经由喷雾嘴54注入。可使用文氏管将第二水合铝盐溶液46抽吸到喷雾嘴
54中,或可使用气压将第二水合铝盐溶液46推送到喷雾嘴54中。在一个实例中,第二水合铝盐溶液46可用高纯度水稀释,随后喷雾焙烧以改变溶液的粘度并改变由喷雾焙烧所产生的氧化铝粒度。
[0063] 当第二水合铝盐溶液46喷雾到煅烧炉48中时,煅烧炉48中的煅烧温度将水合铝盐(如PAC)转化成氧化铝粉末并使形成溶液的酸(例如HCl)和水汽化,产生酸蒸汽56离开煅烧炉48。酸蒸汽56可收集在热交换器中,例如以使酸蒸汽56冷凝,并且可例如通过使冷凝的酸蒸汽再循环回到第一反应18或通过将冷凝的酸蒸汽进料到第一反应容器中而使冷凝的酸蒸汽再循环回到所述方法。酸蒸汽56可收集在一连串一个或多个热交换器中的至少一个、一个或多个降膜吸收器和一个或多个洗涤器中。热交换器或降膜吸收器或这两者可由石墨或钽制成。洗涤器可由Kynar、PP和PE中的一个或多个制成,其取决于酸蒸汽56的温度。酸蒸汽56可连接到文氏管或旋风器以从酸蒸汽56去除氧化铝细尘并降低酸蒸汽56的温度。在一个实例中,酸蒸汽56可与圆形炉48相切而去除,这可致使煅烧炉48中的热气体在煅烧炉48中涡流
[0064] 煅烧炉48可为具有锥形底部的圆筒形,如图1中所示。煅烧炉48可内衬有耐高温的耐火材料,如高纯度氧化铝耐火材料。举例来说,煅烧炉48可由高纯度氧化铝砖与高纯度氧化铝砂浆或干堆的高纯度氧化铝砖制成。根据一特定实施例,煅烧炉48的内表面是由高纯度氧化铝制成,所述高纯度氧化铝是99.2%或更大纯度的氧化铝耐火材料,以使得所得氧化铝粉末50的污染降到最低或被消除。在更特定实施例中,煅烧炉48的耐火材料包含至少约99.2%纯度的氧化铝、或至少约99.6%纯度的氧化铝或至少约99.8%纯度的氧化铝。
[0065] 煅烧炉48的耐火材料可在金属壳体(如或铝壳体)内部。壳体可用PTFE或另一高温氟化聚合物涂层或高温耐酸涂料涂布。壳体可保持在高于110℃的温度下以防止壳体生锈和氧化。或者,煅烧炉48可除耐火材料(例如砖)内衬以外不具有壳体。炉砖可用高温耐火毯和铝薄片覆盖。炉可具有穹顶,如图1中所见。穹顶可由异型砖、支撑砖或一体式浇注顶形成。
[0066] 如图1中所见,煅烧炉48的底部可为锥形并且可包括底孔或管用于移出氧化铝粉末50。移出管可由氧化铝制成。或者,煅烧炉48的底部可为平坦的,使得额外氧化铝粉末50保留在炉底。随着粉末50经由重力从煅烧炉48流出,剩余在炉48中的氧化铝粉末50将形成锥形。
[0067] 在如经由喷雾嘴54喷雾之后,将第二水合铝盐溶液46加热到足够高的温度以驱除第二水合铝盐溶液46的液体(例如水和酸)并将水合铝盐煅烧成氧化铝。举例来说,如果PAC溶液被喷雾到煅烧炉48中,那么可将PAC溶液加热到至少450℃的温度,如约450℃至约1300℃的温度,以便将PAC转化成氧化铝。所喷雾的第二水合铝盐溶液46所加热到的温度可取决于特定方法所指定的氧化铝的相。举例来说,如果需要主要提供α氧化铝,那么第二水合铝盐溶液46可加热到至少900℃或至少1000℃、如约900℃至约1300℃或约1000℃至约1300℃的温度。如果使用较低温度,例如低于约900℃或约1000℃的温度,那么所得氧化铝粉末50可为相的混合物,其中所述混合物的大部分是非α相,一般称为γ氧化铝。除α氧化铝以外,氧化铝粉末50的主要相可为γ、θ、κ或其它相的氧化铝,其取决于煅烧炉48内的煅烧温度。
[0068] 已发现,当使用本文所述的喷雾焙烧煅烧炉48时,达到特定氧化铝相(如α氧化铝)所需的温度与未经喷雾焙烧而转化水合氧化铝盐晶体(如PAC晶体)所需的常规温度相比较低。举例来说,已发现将较大PAC晶体煅烧成α氧化铝可能需要至少1150℃并且在一些情况下,高达1600℃的温度。在喷雾焙烧煅烧炉48中所需温度较低可基本上使得形成氧化铝粉末50的能量成本较低。
[0069] 煅烧炉48可通过用一个或多个燃烧器燃烧燃料(如天然气、油或丙烷)而加热。用于加热煅烧炉48的燃烧器可贴近于煅烧炉48的底部,例如刚好在底部锥形部分起点的上方。一个或多个燃烧器可与煅烧炉48的圆周相切,使得热烟气将在煅烧炉48中涡流。在煅烧炉48中,如从燃烧器至排气点58,可存在温度梯度。可过滤一个或多个燃烧器的空气。在一个实例中,一个或多个燃烧器中的每一个可馈入约15%至约50%过量的空气。煅烧炉48也可通过如来自天然气管燃烧器的间接热量加热。
[0070] 氧化铝粉末50可经由煅烧炉48底部的管(如氧化铝移出管)而从炉移出。可加热移出管以使得氧化铝粉末50达到较高煅烧温度。氧化铝粉末50可从煅烧炉48的底部连续移出。氧化铝粉末50可随着其离开移出管而填充容器。从容器移出的氧化铝粉末50可随着更多氧化铝粉末50产生而由重力流替换。氧化铝粉末50可如利用旋转阀、搅拌耙、螺旋或振动输送机而连续或半连续地从炉48移出。
[0071] 例如经由移出管离开煅烧炉48的氧化铝粉末50可有助于在炉出口处形成至少一个部分密封件。密封件可使得煅烧炉48在微负压下操作,从而使得酸蒸汽56(例如HCl烟)将经由底部出口逸出,而是将经由排气装置58离开煅烧炉48。可利用如来自排气装置58的鼓风机抽拉空气经过洗涤器而将煅烧炉48置于负压下。在一个实例中,氧化铝粉末50可呈中空壳体形式。
[0072] 在一个实例中,喷雾焙烧和煅烧可在两个不同炉或阶段中进行。第一阶段可包含例如在图1中所示的喷雾焙烧煅烧炉48中喷雾焙烧和煅烧到γ相氧化铝,并且第二煅烧阶段可包含将γ相氧化铝转化成α相氧化铝粉末50。粉末可在两次煅烧之间例如用酸或水或这两者洗涤。在一个实例中,粉末可用以下各项中的一个或多个洗涤:转鼓过滤机、压滤机或盘式过滤机。在一个实例中,粉末可首先用酸洗涤,随后用水洗涤,以去除痕量的酸。
[0073] 对于二阶段煅烧,在煅烧到γ相之后,可将氧化铝粉末放置回到炉中并进一步煅烧到至少约1000℃、如约1000℃至约1250℃的温度,从而将γ氧化铝粉末转化成α氧化铝粉末。在洗涤之后,γ粉末还可与水混合并喷雾回到炉中。离开粉末的蒸汽和酸可在热交换器中冷凝并再用于所述方法中。煅烧成α氧化铝也可在较热温度(如约1050℃至约1600℃、或约1250℃至约1600℃)下进行,从而减少杂质并增加粉末的疏松密度。
[0074] 氧化铝粉末的加工(60)
[0075] 氧化铝粉末50可任选地如通过碾磨、粉碎或滚揉而进一步加工60,得到具有所需尺寸分布的经加工的氧化铝粉末62。举例来说,可湿式或干式滚揉氧化铝粉末50以打破结块,如通过在存在或不存在水的情况下将氧化铝粉末50添加到旋转叶轮以打破结块。在一个实例中,氧化铝粉末62的平均粉末粒度可为γ氧化铝约50纳米(nm)并且α氧化铝约500nm至约1000nm。在一个实例中,如通过布鲁诺-埃梅特-特勒(Brunauer-Emmett-Teller,BET)理论所测定的氧化铝粉末62的表面积为约6平方米/克(m2/g)至约15m2/g。在一个实例中,氧化铝粉末62的密度可为至少约0.2克/毫升(g/mL),例如至少约0.5g/ml,例如至少约1g/mL。
[0076] 氧化铝粉末50、62可用磁体分离以去除杂质。氧化铝粉末50、62可通过筛分或由流化床反应器分离以分离出粒子和杂质。
[0077] 可洗涤64氧化铝粉末50、62,得到经洗涤的氧化铝粉末66。氧化铝粉末50、62可用H2O或酸或组合(如弱HCl酸)洗涤52。氧化铝粉末50、62可用酸洗涤并随后用洗涤一次或多次以去除痕量的酸。用于洗涤氧化铝粉末50、62的水或酸可为高纯度水或高纯度酸。洗涤步骤64可视需要重复多次,以便从氧化铝粉末50、62去除任何残余物。洗涤步骤64可包括用弱酸(例如约0.5重量%至约5重量%HCl酸)洗涤氧化铝粉末50、62,接着是一个或多个用水洗涤的步骤,得到经洗涤的氧化铝粉末66。氧化铝粉末50、62可用其它类型的酸或仅用水代替HCl和水冲洗。经洗涤的氧化铝粉末66可通过沉降或机械分离,如离心或真空过滤(例如转鼓过滤机、压滤机、圆盘过滤机或旋转盘过滤机),与水和酸分离。
[0078] 经洗涤的氧化铝粉末66可例如在炉中干燥68以便从经洗涤的氧化铝粉末66去除过量水,得到干燥的氧化铝粉末70,随后进一步加工。在一个实例中,经洗涤的氧化铝粉末66是在一个或多个包含PTFE、PFA、PVDF、氧化铝或铝中的一个或多个的托盘中干燥。在一个实例中,真空炉、对流烘箱、喷雾干燥器、快速干燥器或微波烘箱可用于干燥经洗涤的氧化铝粉末66并且有助于从经洗涤的氧化铝粉末66去除杂质。
[0079] 干燥粉末70可经碾磨72、滚揉或研磨以减小平均粒度,得到经碾磨的氧化铝粉末74。举例来说,喷磨机、盘磨机、球磨机或其它类型的碾磨设备可用于使粒度减小到0.3-3微米粉末。在机筒中振动滚揉或滚揉也可用于打破结块或减小粒度。可使用高纯度氧化铝或蓝宝石滚揉介质。碾磨设备可内衬有高纯度氧化铝耐火材料、塑料或树脂。
[0080] 经碾磨的粉末74可在真空炉中烧结以去除杂质并增加粉末74的松装密度。可改变炉温度和真空以得到指定结果。在一个实例中,可向加热到450℃的炉施加0.07托真空。一般来说,较高温度和较强真空改善杂质从粉末74的去除。
[0081] 经碾磨的氧化铝粉末74(或早先加工的粉末,如经洗涤的氧化铝粉末66或干燥的氧化铝粉末70)可具有至少约99.997%、如至少约99.999%、例如至少约99.99%(约4N)的高纯度。在一个实例中,氧化铝粉末74可具有小于所有元素重量的百万分之十(ppmw)的纯度。在一个实例中,氧化铝粉末74可包含小于约30ppmw总金属和烷基杂质。在一个实例中,氧化铝粉末74可具有小于10ppmw的钠(Na)含量,如小于约5ppmw Na,如小于约1ppmw Na。在一个实例中,氧化铝粉末74可具有小于5ppmw的铁(Fe)含量,如小于约3ppmw Fe,如小于约1ppmw Fe。在一个实例中,氧化铝粉末74可具有小于10ppmw的硅(Si)含量,如小于约5ppmw Si,如小于约2ppmw Si。在一个实例中,氧化铝粉末74可具有小于1ppmw的(Ti)含量,如小于约0.2ppmw Ti。在一个实例中,氧化铝粉末74可具有小于约5ppmw的镁(Mg)含量,如小于约2ppmw Mg。在一个实例中,氧化铝粉末74可具有小于5ppmw的(Ca)含量,如小于约2ppmw Ca。在一个实例中,氧化铝粉末74可具有小于约5ppmw的(K)含量。在一个实例中,氧化铝粉末74可具有小于约1ppmw的(Cu)含量。在一个实例中,氧化铝粉末74可具有小于约
1ppmw的铬(Cr)含量。
[0082] 在一个实例中,氧化铝粉末74可包含小于5ppmw总金属和烷基杂质,如小于5ppmw Fe、Na和Si。在一个实例中,氧化铝粉末74具有小于5ppmw Fe、Na和Si,以及3ppmw所有其它元素。在一个实例中,氧化铝粉末74具有小于3ppmw Fe、Na和Si以及小于1ppmw所有其它元素。
[0083] 经碾磨的氧化铝粉末74(或早先加工的粉末,如经洗涤的氧化铝粉末66或干燥的氧化铝粉末70)可压缩76成具有较高密度的经压缩的氧化铝粉末78。经压缩的氧化铝粉末78可呈压坯形式,如经压缩的圆片、团粒或颗粒,用于最终转化成蓝宝石锭。可进行压缩76粉末74的方法的实例包括(但不限于)单轴压制、液压压制、冷等静压(CIP)或热等静压(HIP)。在一个实例中,压缩76可使密度可为约0.3克/立方厘米(g/cm3)至约1.0g/cm3的氧化铝粉末74的密度增加到至少约1.7g/cm3的经压缩的氧化铝粉末78的密度,如至少约1.8g/cm3、至少约1.9g/cm3、至少约2g/cm3、至少约2.1g/cm3、至少约2.2g/cm3、至少约2.3g/cm3、至少约2.4g/cm3或至少约2.5g/cm3,如约1.7g/cm3至约2.3g/cm3。经压缩的氧化铝粉末78可与粘合剂(如高纯度粘合剂)粘合在一起,得到经压缩的生坯氧化铝。可用于粘合经压缩的氧化铝粉末78的粘合剂的实例包括(但不限于)水、聚乙二醇(PEG)和聚乙烯醇(PVA)。经压缩的氧化铝粉末78可制成以下形状,包括(但不限于)圆柱形、圆片、矩形、方形和六边形。在一个实例中,针对氧化铝78在烧结坩埚中的填充效率选择经压缩的氧化铝粉末78的形状。
[0084] 可烧结80经压缩的氧化铝粉末78的压坯,得到经烧结的氧化铝82。烧结80可进一步增加氧化铝的密度,如从经压缩的氧化铝粉末78的约1.7g/cm3至约2.3g/cm3增加到经烧结的氧化铝82的至少约3.0g/cm3的密度,如至少约3.1g/cm3、至少约3.2g/cm3、至少约3.3g/cm3、至少约3.4g/cm3、至少约3.5g/cm3、至少约3.6g/cm3、至少约3.7g/cm3、至少约3.8g/cm3、至少约3.9g/cm3或至少约4g/cm3,如约3.2至约3.9g/cm3。在一个实例中,将经压缩的氧化铝粉末78烧结到约1500℃至约2050℃、如约1550℃至约1600℃的温度。经压缩的氧化铝粉末78可在真空中烧结80。经压缩的氧化铝粉末78可在包含例如空气、氢气、CO2气体、惰性气体(如氮气或氩气)或这些气体组合的环境中烧结80。烧结80可在例如用具有由碳化硅(SiC)、石墨、钨或二硅化钼(MoSi2)制成的元件的电阻加热的炉中进行。烧结炉可用天然气燃烧器加热。烧结炉可用氧化铝纤维板或氧化铝空心球隔热。已出人意料地发现,当方法10中包括烧结80时,所得经烧结的氧化铝82与未烧结的氧化铝(如经压缩的氧化铝粉末78或经洗涤的氧化铝粉末66、干燥的氧化铝粉末70、或经碾磨的氧化铝粉末74)相比的杂质可基本上减少。
[0085] 经烧结的氧化铝82(或早先加工的氧化铝,如经压缩的氧化铝粉末78、经碾磨的粉末74、干燥粉末70或经洗涤的粉末66)可用作蓝宝石锭生长的原料。氧化铝粉末可通过例如经由维尔纳法熔融84转化成蓝宝石瑕坯,得到蓝宝石86。粉末可用于制造如用于移动电子装置的覆盖玻璃所用的蓝宝石。
[0086] 图2是用于生产例如欲用于生产合成蓝宝石的高纯度氧化铝的另一种实例方法100的流程图。方法100与图1中所示的方法10非常类似,仅具有一处不同。方法100包括喷雾焙烧作为铝金属(铝原料102或经洗涤的铝106)与一种或多种酸110之间在水112存在下的反应108的一部分形成的第一铝盐溶液114,而不是从第一铝盐溶液24结晶并分离36铝盐晶体40且随后溶解42所分离的铝盐晶体40以形成随后喷雾焙烧的第二铝盐溶液46。反应108可与上文关于图1中的反应18所述基本上一致。
[0087] 在方法100中,已确定第一铝盐溶液114的纯度相当高,使得水合铝盐晶体的沉淀和分离(例如图1中的步骤28和36),随后形成第二盐溶液的二次溶解步骤(例如图1中的步骤42)没有必要。在一个实例中,铝盐溶液114具有小于3ppmw总杂质,如小于0.5ppmw Fe、Na和Si和小于0.3ppmw所有其它元素。换句话说,除了水、酸、硫、碳和水合铝盐分子(例如PAC)以外,铝盐溶液114具有仅3ppmw或更少的其它杂质。
[0088] 方法100示出了可喷雾焙烧铝盐溶液114的煅烧炉120。喷雾焙烧铝盐溶液114的方法和煅烧炉120可与上文关于图1中的方法10所述的方法和煅烧炉48基本上一致,例如喷雾嘴122可以细薄雾124形式喷雾铝盐溶液114,使得细薄雾124煅烧形成氧化铝粉末126。煅烧炉120可驱除铝盐溶液114的液体以形成可冷凝并再循环的酸蒸汽128,如上文所述。
[0089] 如上文所述,煅烧炉120可内衬有耐高温的耐火材料。在一个实例中,耐火材料包含高纯度氧化铝耐火材料。耐火材料使用高纯度氧化铝(如上文所定义)使所得粉末126的污染降到最低或被消除。
[0090] 方法100的其余部分可与上文所述的方法10基本上一致。举例来说,氧化铝粉末126可进一步加工128(例如碾磨或滚揉以打破碎块),得到经加工的氧化铝粉末130。可洗涤
132经加工的粉末130,得到经洗涤的粉末134,其继而可干燥136得到干燥的氧化铝粉末
138。可碾磨140或以其它方式加工干燥粉末138,得到呈经碾磨的氧化铝粉末142形式的所需尺寸的粉末粒子。可压缩144经碾磨的粉末142,得到经压缩的氧化铝粉末146,其可烧结
148得到经烧结的氧化铝150。经烧结的氧化铝150可通过例如经由维尔纳法熔融152转化成蓝宝石瑕坯,得到蓝宝石154。如可通过方法100制备的基于高纯度氧化铝的蓝宝石可例如作为衬底用于LED生产。
[0091] 作为蓝宝石生产的替代方案,通过本文所述方法制造的氧化铝粉末,如经碾磨的粉末74、142、干燥粉末70、138或经洗涤的粉末66、134可用于电池生产,如涂布隔板或作为阳极阴极中的添加剂。如通过本文所述方法产生的高纯度氧化铝也可用于半导体晶片加工设备、基于磷光体的应用(例如等离子显示器面板)、传感器(例如汽车传感器)和特别需要高纯度材料的某些工业应用,如(但不限于)陶瓷、磨料和分离膜领域。
[0092] 实例
[0093] 本发明的实施例可通过参考以说明方式提供的以下实例而更好地理解。本发明不限于本文所给出的实例。
[0094] 实例1
[0095] 在室温下用10%HCl蚀刻250g铝48小时以清洁铝表面。随后将铝置于具有361g水和653g 38%HCl的PTFE烧杯中。PTFE烧杯用水浴加热到约81℃。由于液位因蒸发而降低,所以向烧杯中添加水。在烧杯上使用具有小孔的封盖以有助于减少蒸发。使溶液反应7天。在反应后,从烧杯去除未反应的铝。
[0096] 接着,将具有剩余溶液的PTFE烧杯置于热板上并在240℃下加热约8小时,以从烧杯蒸发液体并从溶液沉淀PAC晶体。在蒸发完成后,从697g铝盐晶体过滤掉59g母液。
[0097] 将铝盐晶体溶解于高纯度水中以产生1000g PAC溶液。随后历经4小时的过程将PAC溶液喷雾到设定在650℃下的炉中。使来自炉排气装置的酸烟冷凝以便再循环。使所得氧化铝粉末冷却并随后用水洗涤两次。将经洗涤的粉末放回到炉中并在1100℃下加热16小时,随后再保留30分钟。使任何烟冷凝并再循环。粉末随后在水中洗涤4次并在130℃的温度下干燥,得到干燥的氧化铝粉末。
[0098] 通过辉光放电质谱分析(GDMS)测试干燥的氧化铝粉末的化学性质。干燥的氧化铝粉末具有表1中所示的组成。
[0099] 表1:干燥的氧化铝粉末的杂质组成;
[0100] 实例1
[0101]
[0102]
[0103] 干式滚揉和喷磨干燥粉末,从而将粒度分布D50减小为0.87微米(μm)。经碾磨的粉末在液压单轴模具中压缩形成氧化铝圆片,其具有2.20g/cm3的生坯密度,2英寸(约5厘米(cm))×2英寸(约5cm)的方形尺寸和1英寸(约2.5cm)的厚度。生坯氧化铝圆片在炉中在大3
气气氛下在1550℃的温度下烧结,产生密度为约3.55g/cm的经烧结的氧化铝圆片。
[0104] 实例2
[0105] 将105kg 4.8N铝、250L 18MΩ水和100L试剂级HCl置于400L塑料聚丙烯槽中。将槽加热到65℃并且使铝、水和HCl反应,直到所得溶液的比重达到1.295g/cm3。这使得由历经5天反应的19kg铝产生304kg PAC溶液。
[0106] 将PAC溶液置于新槽中并加热到125℃持续4天,产生沉淀的水合氯化铝晶体在母液中的混合物。使用聚丙烯过滤袋从晶体排出母液。加热产生134kg水合氯化铝晶体和59kg母液。
[0107] 接着,将水合氯化铝晶体溶解于高纯度水(例如18MΩ水)中,产生第二PAC溶液。将第二PAC溶液喷雾到炉中并在1150℃的温度下煅烧。这产生25kg氧化铝粉末。
[0108] 将氧化铝粉末分成两批次。第一批次用25kg 18MΩ水洗涤4次。第二批次用25kg1%HCl洗涤12小时,并随后用25kg 18MΩ水洗涤4次。两批次都在炉中在130℃下干燥4小时并分别使用蓝宝石瑕坯作为滚揉介质干式滚揉10分钟。各批次分别计量加入喷磨机,得到粒度分布D50为0.88μm的粉末。用GDMS测试两批次经碾磨的粉末的化学性质,得到表2中所示的杂质概况。
[0109] 表2:干燥的氧化铝粉末的杂质组成;
[0110] 实例2,批次1和2
[0111]
[0112] 两批次氧化铝粉末各自分别在圆筒混合机中滚揉并添加2-5重量%18MΩ水作为粘合剂。粉末在2英寸(约5cm)×2英寸(约5cm)×0.6英寸(约1.5cm)尺寸的方形模具中用50公吨液压机压制成圆片。经压缩的圆片在炉中在1550℃的温度下烧结,产生密度为3.6g/cm3的经烧结的圆片。
[0113] 实例3
[0114] 以与实例2中相同的方式制备单独批次的氧化铝粉末。所述批次分成经洗涤的粉末和已压缩成圆片并烧结的粉末。用GDMS测试经洗涤的粉末和经烧结的圆片的化学性质,得到表3中所示的杂质概况。
[0115] 表3:经洗涤的氧化铝粉末的杂质组成;
[0116] 实例3
[0117]
[0118] 实例4
[0119] 通过使试剂级HCl、4.8N铝和18MΩ水在塑料槽中反应,同时将槽加热到85℃制得大约400L PAC。将400L PAC转移到新的塑料槽中并加热到130℃,使得从溶液沉淀水合氯化铝晶体。随后经由塑料过滤器通过重力引流从水合氯化铝晶体去除约10%的母液。接着,将水合氯化铝晶体溶解于18MΩ水中以制造第二PAC溶液。
[0120] 将第二PAC溶液喷雾到已加热到1100℃的煅烧炉中。使在煅烧期间逸出的酸在石墨热交换器中冷凝。制得50kg氧化铝粉末。
[0121] 接着,氧化铝粉末在1%HCl中洗涤12小时,随后在大的塑料布氏漏斗中用18MΩ冲洗3次。经洗涤和冲洗的粉末随后在对流烘箱中在130℃下干燥。滚揉干燥的粉末以去除任何结块并随后喷磨。
[0122] 随后,将少量18MΩ水喷雾到经碾磨的粉末上,同时用桨式混合机混合粉末。润湿的粉末随后用50公吨液压机压制成方形圆片。随后将圆片置于烧结炉中并烧结到1550-1600℃。当通过GDMS测试时,圆片具有表4中所示的杂质概况。
[0123] 表4:实例4经烧结的圆片的杂质组成
[0124]
[0125] 实例5
[0126] 通过使4.8N铝、试剂级HCl和18MΩ水在经加热的槽中反应制造1500L PAC溶液。随后历经24小时的过程将PAC溶液喷雾到在750℃下的煅烧炉中。在炉中将PAC溶液转化成γ氧化铝粉末并经由炉底移出。将来自煅烧的酸烟收集在石墨热交换器中以便在所述方法中再使用。
[0127] 随后,将γ氧化铝粉末干式滚揉以去除任何大结块并用高纯度1%HCl溶液洗涤24小时。接着,将粉末用18MΩ水冲洗4次。经洗涤和冲洗的粉末在对流烘箱中在130℃下干燥。随后,将粉末置于氧化铝烧箱中并煅烧到1200℃,以将γ氧化铝粉末转化成α氧化铝粉末。
使来自氧化铝烧箱的烟在石墨热交换器中再循环。α氧化铝粉末随后在1%HCl中洗涤24小时并接着用18MΩ水冲洗3次。经洗涤和冲洗的α氧化铝粉末随后在炉中在0.07托的压力和
450℃的温度下干燥3小时。
[0128] 实例6
[0129] 通过使4.8N铝、试剂级HCl和18MΩ水在经加热的槽中反应制造1500L PAC溶液。随后历经48小时的过程将PAC溶液喷雾到在1070℃的温度下的煅烧炉的顶部。PAC在炉中转化成α氧化铝粉末。将来自煅烧炉的酸烟收集在石墨热交换器中以便在所述方法中再使用。
[0130] 在煅烧后,在压滤机中用高纯度水洗涤α氧化铝粉末,直到冲洗水pH值大于4。经洗涤和冲洗的α氧化铝粉末在快速干燥器中干燥。接着,喷磨粉末以减小粒度,随后用高纯度氧化铝介质湿式滚揉以进一步减小中值粒度。
[0131] 经滚揉的浆液随后在炉中在300℃下喷雾干燥。对于蓝宝石应用,将粉末与作为粘合剂的18MΩ水混合并将粉末压制成圆片。圆片在1600℃下在真空中经12小时烧结,产生密度为3.70g/cm3的经烧结的圆片。α氧化铝粉末的纯度大于99.998重量%。对于电池隔板应用,粉末在喷雾干燥之后干式滚揉,而不是压制成圆片。
[0132] 实例7
[0133] 通过使4.8N氧化铝、试剂级HCl和18MΩ水在经加热的槽中反应制造1500L PAC溶液。随后历经24小时的过程将PAC溶液喷雾到加热至750℃温度的煅烧炉的顶部。PAC在炉中转化成γ氧化铝粉末并经由炉底移到3英寸(约7.6cm)直径氧化铝管中。使用管式炉将离开喷雾室底部的氧化铝管加热到1150℃,以便将γ氧化铝粉末转化成α氧化铝粉末。将来自煅烧炉的酸烟收集在石墨热交换器中以便在所述方法中再使用。
[0134] 在煅烧后,干式滚揉α氧化铝粉末以去除大结块。随后用高纯度1%HCl溶液洗涤α氧化铝粉末24小时。接着,将经洗涤的粉末用18MΩ水冲洗4次。经洗涤和冲洗的α氧化铝粉末在对流烘箱中在130℃的温度下干燥并随后干式滚揉以去除结块。随后喷磨α氧化铝粉末以减小粒度。将18MΩ水作为粘合剂混合到经碾磨的粉末中并将粉末压制成圆片。圆片随后在1600℃下在真空中经12小时烧结,产生密度为3.70g/cm3的经烧结的圆片。α氧化铝粉末的纯度大于99.998重量%。
[0135] 以上详细描述预期为说明性的而非限制性的。举例来说,上述实施例(或其一个或多个要素)可彼此组合使用。如所属领域的一般技术人员在查阅以上描述后可使用其它实施例。另外,各种特征或要素可集合在一起以使本公开简单化。这不应解释为期望未要求的公开特征对任何权利要求来说是必需的。实际上,发明主题可在于比特定公开实施例的所有特征要少。因此,以下权利要求特此并入具体实施方式中,其中每一权利要求就其自身而言作为单独实施例。本发明的范围应参考所附权利要求书以及这类权利要求所授予的等效物的完整范围而决定。
[0136] 如果本文件与通过引用方式并入的任何文件之间发生不一致的用途,以本文件的用途为准。
[0137] 在本文件中,如专利文件中常见,使用术语“一”以包括一个或多于一个,这与“至少一个”或“一个或多个”的任何其它情形或使用无关。在本文件中,术语“或”用于指代非排它性或,使得除非另有指示,否则“A或B”包括“A而非B”、“B而非A”以及“A和B”。在本文件中,术语“包括”和“其中(in which)”用作相应术语“包含”和“其中(wherein)”的通俗等效用语。另外,在所附权利要求书中,术语“包括”和“包含”是开放的,即,包括除了列在权利要求书中这类术语后的那些要素之外的要素的系统、装置、物品、组合物、配制品或方法仍被认为属于所述权利要求的范围内。此外,在所附权利要求书中,术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记,且并不意图对其对象施加数字要求。
[0138] 以范围格式表示的值应以灵活的方式解译为不仅包括作为范围限度所明确列举的数值,而且包括在所述范围内涵盖的所有单个数值或子范围,如同明确列举每一数值和子范围一样。举例来说,“约0.1%至约5%”或“约0.1%至5%”的范围应解译为不仅包括约0.1%至约5%,而且包括指定范围内的单个值(例如1%、2%、3%和4%)和子范围(例如
0.1%至0.5%、1.1%至2.2%、3.3%至4.4%)。除非另外规定,否则表述“约X至Y”具有与“约X至约Y”相同的含义。同样,除非另外规定,否则表述“约X、Y或约Z”具有与“约X、约Y或约Z”相同的含义。
[0139] 本文所述的方法实例可至少部分地由机器或计算机实施。一些实例可包括编码有指令的计算机可读媒体或机器可读媒体,所述指令可操作用于配置电子装置以执行如在以上实例中所述的方法或方法步骤。这类方法或方法步骤的实施可包括代码,如微码、汇编语言代码、高级语言代码等。这类代码可包括用于执行各种方法的计算机可读指令。所述代码可形成计算机程序产品的部分。此外,在一个实例中,所述代码可例如在执行期间或在其它时间有形地存储在一个或多个易失性、非暂时性或非易失性有形计算机可读媒体上。这些有形计算机可读媒体的实例可包括(但不限于)硬盘、可移动磁盘、可移动光盘(例如,光盘和数字视频磁盘)、盒式磁带、存储卡或棒、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等等。
[0140] 提供摘要以允许读者快速确定技术公开的性质。摘要是在理解其将不用于解释或限制权利要求的范围或含义的情况下提交的。
[0141] 虽然已参考示例性实施例描述本发明,但是所属领域的技术人员应认识到,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,可在形式和细节上作出改变。
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